用于缓和手术用机器人碰撞的方法及系统与流程

涉及一种当手术用机器人与其他物体或人碰撞时，控制手术用机器人而使得缓和碰撞的方法及系统。

背景技术：

在医学上，所谓手术，是指使用医疗机械截断、切割皮肤或粘膜、其他组织或施加其他操作来治疗疾病。特别是切开手术部位的皮肤而对其内部的器官等进行治疗、整形或去除的开腹手术等，由于出血、副作用、患者痛苦、伤痛等问题，最近使用机器人(robot)的手术作为替代方案而倍受瞩目。

这种手术用机器人可以分为借助于操作员的操作而生成并传输所需信号的主控(master)机器人、从操作部接受信号而直接对患者施加手术所需操作的从属(slave)机器人，主控机器人和从属机器人也可以区分为一个手术用机器人的各部分，或由独立的装置构成，分别配置于手术室。

在主控机器人中安装有用于操作员操作的设备，在机器人手术时，不是操作员直接操作手术器械，而是操作前述的设备，使得从属机器人中加装的各种手术器械执行手术所需的动作。

另一方面，操作员可以一面查看在显示构件中显示通过手术器械拍摄的影像，一面操作设备。此时，操作员的视野集中于显示构件，操作员会无法确认从属机器人的位置。进而，操作员无法认知发生从属机器人与其他物体、患者、手术助手等碰撞的情况。如果操作员无法确认发生碰撞的情况而继续操作设备，则会对从属机器人造成不当或导致患者受伤。

因此，要求一种当从属机器人与其他物体或人碰撞时控制使得缓和碰撞的方法。

技术实现要素：

技术课题

旨在提供一种控制从属机器人的活动以便当手术用从属机器人与其他物体或人碰撞时缓和碰撞的方法及系统。

本发明的课题不限于以上言及的课题，未言及的其他课题是从业人员可以从以下记载明确理解的。

技术方案

一个实施例的缓和手术用从属机器人碰撞的方法包括：获得所述从属机器人与其他物体或人碰撞而发生的外部扭矩的第一步骤；获得所述从属机器人的关节角度的第二步骤；基于所述获得的外部扭矩及所述获得的关节角度，算出用于变更所述从属机器人的位置而使得所述发生的外部扭矩衰减所需的目标关节角度的第三步骤；及控制使得所述从属机器人将位置从所述获得的关节角度变更为所述算出的目标关节角度的第四步骤。

发明效果

可以控制使得缓和从属机器人的碰撞，抑制从属机器人或其他物体破损或对人造成伤害。另外，向操作员通知从属机器人的碰撞情况，从而可以防止操作员不当驱动从属机器人。

本发明的效果不由以上举例的内容所限定，更多样的效果包括于本说明书内。

附图说明

图1是显示手术用机器人系统的一个实施例的俯视图。

图2是显示缓和从属机器人碰撞的方法的一个示例的顺序图。

图3是显示位置控制器的一个示例的图。

图4a至图6b是根据一个实施例的缓和从属机器人碰撞的方法显示从属机器人的碰撞缓和实验结果的图。

图7是显示用于运行一个实施例的缓和从属机器人碰撞的方法的程序的一个示例的图。

最佳实施方式

一个实施例的缓和手术用从属机器人碰撞的方法包括：获得所述从属机器人与其他物体或人碰撞而发生的外部扭矩的第一步骤；获得所述从属机器人的关节角度的第二步骤；基于所述获得的外部扭矩及所述获得的关节角度，算出用于变更所述从属机器人的位置而使得所述发生的外部扭矩衰减所需的目标关节角度的第三步骤；及控制使得所述从属机器人将位置从所述获得的关节角度变更为所述算出的目标关节角度的第四步骤。

在上述方法中，所述第一步骤包括：扭矩传感器测量所述从属机器人加装的马达的扭矩的步骤；及从所述测量的马达的扭矩算出所述外部扭矩的步骤。

在上述方法中，所述第一步骤包括：电流传感器测量流入所述从属机器人加装的马达的电流的步骤；及从所述测量的电流值算出所述外部扭矩的步骤。

在上述方法中，从所述测量的电流值算出所述外部扭矩的步骤包括：从所述测量的电流值算出所述马达的扭矩的步骤；算出用于补偿对所述从属机器人进行作用的重力所需的重力补偿扭矩的步骤；及基于所述算出的马达的扭矩及所述算出的重力补偿扭矩算出所述外部扭矩的步骤。

在上述方法中，所述目标关节角度根据所述获得的外部扭矩及所述获得的关节角度的线性组合(linearcombination)而算出。

上述方法还包括：输出用于向操作员通知所述从属机器人与所述其他物体或人碰撞的警报的步骤。

在上述方法中，所述警报包括视觉警报、听觉警报及触觉警报中至少一种。

上述方法还包括：比较所述获得的外部扭矩与基准值的第五步骤；当所述获得的外部扭矩为基准值以上时，反复实施所述第一步骤至所述第五步骤的步骤；测量反复实施所述第一步骤至所述第五步骤的时间的步骤；及当所述测量的时间为预先设置的时间以上时，控制使得所述从属机器人不活动的步骤。

在上述方法中，所述从属机器人根据通过主控制台输入的操作员的命令而被远程控制。

另一实施例的手术用机器人系统包括主控制台、从属机器人及至少一个处理器，所述主控制台由操作员操作，所述从属机器人基于所述主控制台操作而活动，所述至少一个处理器控制所述从属机器人的活动，以便缓和所述从属机器人与其他物体或人之间的碰撞，其中，所述至少一个处理器包括：获得所述从属机器人与其他物体或人碰撞而发生的外部扭矩的第一步骤；获得所述从属机器人的关节角度的第二步骤；基于所述获得的外部扭矩及所述获得的关节角度，算出用于变更所述从属机器人的位置而使得所述发生的外部扭矩衰减所需的目标关节角度的第三步骤；及控制使得所述从属机器人将位置从所述获得的关节角度变更为所述算出的目标关节角度的第四步骤。

具体实施方式

下面参照附图，只详细说明用于举例的实施例。当然，下述说明只用于对实施例进行具体化，并非限制或限定发明的权利范围。相应技术领域的专家可以容易地从详细说明及实施例推导出的内容，解释为属于权利范围。

在本申请中使用的“构成”或“包括”等术语，不应解释为必须全部包括说明书上记载的多个构成要素或多个步骤，应解释为也可以不包括其中一部分构成要素或一部分步骤，或还可以包括追加的构成要素或步骤。

本说明书中使用的术语，在考虑在本发明中的功能的同时，尽可能选择了当前广泛使用的一般术语，但这会因该领域从业的技术人员的意图或判例、新技术的出现等而异。另外，在特定情况下，也有申请人任意选定的术语，这种情况将在相应的说明书部分详细记载其意义。因此，本发明中使用的术语并非是单纯的术语名称，而应以该术语具有的意义和本发明通篇内容为基础进行定义。

图1是显示手术用机器人系统的一个实施例的俯视图。

如果参照图1，一个实施例的手术用机器人系统1包括对躺在手术台2上的患者p进行手术的从属机器人10、使得操作员o远程操纵从属机器人10的主控制台20。另外，手术用机器人系统1可以包括影像台车30。通过影像台车30的显示部35，助手a可以确认手术的进行情况。

从属机器人10可以包括一个以上的从属臂11。一般而言，机器人臂意味着具有与人类的手臂及/或手腕类似的功能，能够使既定工具附着于手腕部位的装置。在本说明书中，所谓从属臂11，可以定义为全部包括大臂、小臂、手腕、肘部等构成要素及结合于所述手腕部位的手术用器械等的概念。这种从属机器人10的从属臂11可以体现得具有多自由度进行驱动。从属臂11例如可以包括插入于患者p的手术部位的手术器械、使手术器械沿长度方向移动的移送驱动部、使手术器械旋转的旋转驱动部、安装于手术器械的末端而切开或截断手术病变的手术器械驱动部构成。不过，从属臂11的构成不限于此，应理解为这种示例不限制本发明的权利范围。

从属机器人10为了对患者p进行手术而可以利用一个以上，用于使手术部位通过显示构件(图上未示出)显示为图像的手术器械12，也可以以独立的从属机器人10体现。

另外，正如前面所作的说明，本发明的实施例可以通用于除腹腔镜之外的利用多样手术用内视镜(例如，胸腔镜、关节镜、鼻镜等)的手术。

并非主控制台20与从属机器人10必须分离为在物理上独立的另外的装置，也可以统合为一个而以一体型构成。

主控制台20包括主臂(图上未示出)及显示构件(图上未示出)。另外，主控制台20可以在外侧还追加具备能够显示操作员o的状态的外部显示装置25。

详细而言，主控制台20可以具备主臂，以便操作员o可以操作。如果操作员o操作主臂，则操作信号通过有线或无线通信网传递给从属机器人10，从属臂11被控制。即，可以借助于操作员o的主臂操作，执行从属臂11的位移、旋转、截断作业等手术动作。

例如，操作员o可以利用手柄形态的操作杆来操作从属机器人臂11或手术器械12等。这种操作杆根据其操作方式而可以具有多样机械性构成，如同操作从属机器人臂11或手术器械12等的动作的主手柄，及为了操作整体系统功能而附加于主控制台20的诸如操纵杆、键区、跟踪球、触摸屏的各种输入工具一样，可以以用于使从属机器人10的机器人臂11及/或其他手术装备运转所需的多样形态配备。

在主控制台20的显示构件中，通过手术器械12拍摄的影像显示为图像。另外，在显示构件中，既定的虚拟操作板可以与通过所述手术器械12拍摄的影像一同显示或独立显示。

显示构件可以以操作员o能够确认影像的多样形态配备。例如，可以与操作员o双眼对应地安装有显示装置。作为另一示例，可以由一个以上的显示器构成，可以在各显示器上个别地显示手术时需要的信息。显示构件的数量可以根据要显示的信息的类型或种类等而多样地决定。

影像台车30隔开安装于从属机器人10或主控制台20，可以在外部通过显示部35确认手术的进行状况。

显示部35显示的影像可以与操作员o的显示构件中显示的影像相同。助手a可以一面确认显示部35的影像，一面辅助操作员o的手术作业。例如，助手a可以根据手术的进行状态，在器械台车3中更换手术器械12。

中央控制部40与从属机器人10、主控制台20及影像台车30连接，可以接收发送各个信号。

中央控制部40包括至少一个处理器，所述至少一个处理器基于操作员o操作主控制台20而进行控制，使得从属机器人10活动。至少一个的处理器可以以多个逻辑门的阵列体现，也可以以通用微处理器与存储有能够在微处理器中运行的程序的存储器的组合体现。

至少一个处理器可以控制从属机器人10而使得当从属机器人10与其他物体、患者p、主刀者a等碰撞时缓和碰撞。下面参照图2至图7，对控制从属机器人10的活动而使得缓和从属机器人10与其他物体或人的碰撞的方法进行考查。

图2是显示缓和从属机器人碰撞的方法的一个示例的顺序图。

在步骤s210中，至少一个处理器可以获得从属机器人与其他物体或人碰撞而发生的外部扭矩。

从属机器人的机器人臂可以包括连杆及关节，关节可以包括马达，以便连杆可以被旋转驱动。

从属机器人的马达输出的扭矩τ_act可以如以下数学式1所示表现。

(数学式1)

τ_act＝τ_acc+τ_vel+τ_fric+τ_grav+τ_extern

其中，τ_acc代表由马达的加速度产生的扭矩，τ_vel代表由马达的速度产生的扭矩，τ_fric代表由作用于马达的摩擦力产生的扭矩，τ_grav代表用于补偿作用于马达的重力所需的重力补偿扭矩，τ_extern代表由作用于马达的外力产生的外部扭矩。从属机器人与其他物体或人碰撞而发生的扭矩与外部扭矩τ_extern相应。

当马达以低速状态驱动时，所述数学式1可以如下述数学式2所示表现。

(数学式2)

τ_act＝τ_grav+τ_extern

至少一个处理器可以获得马达的扭矩τ_act。至少一个处理器可以通过电流测量方式，间接获得马达的扭矩τ_act，或通过扭矩测量方式，直接获得马达的扭矩τ_act。

作为一个示例，至少一个处理器可以从测量流入马达的电流的值来算出马达的扭矩τ_act。流入马达的电流可以通过电流传感器测量。例如，可以将施加于马达加装的电阻的电压值除以电阻值而测量电流值。如果测量了流入马达的电流值，则至少一个处理器可以利用马达的扭矩τ_act与马达的电流成比例这点，从测量的电流值获得马达的扭矩τ_act。如此通过电流传感器推定而获得的马达的扭矩τ_act，可以以导纳控制形式使用。

作为另一示例，至少一个处理器可以从扭矩传感器测量的传感值获得马达的扭矩τ_act。扭矩传感器可以是测量作用于马达的3轴力(fx、fy、fz)及3轴力矩(mx、my、mz)的传感器。另外，扭矩传感器可以是应变仪(straingauge)式传感器、光学式传感器等，但不限于罗列的种类。如此通过扭矩传感器获得的马达的扭矩τ_act，可以以阻抗控制形式使用。

至少一个处理器可以获得用于补偿作用于马达的重力所需的重力补偿扭矩τ_grav。

作为一个示例，至少一个处理器可以从从属机器人的位置算出重力补偿电流，从算出的重力补偿电流算出重力补偿扭矩τ_grav。

至少一个处理器可以基于获得的马达的扭矩τ_act及重力补偿扭矩τ_grav而获得外部扭矩τ_extern。

作为一个示例，至少一个处理器可以利用将所述数学式2变形的如下数学式3来算出外部扭矩τ_extern。

(数学式3)

τ_extern＝τ_act-τ_grav

在步骤s220中，至少一个处理器可以获得从属机器人的关节角度θ_act。详细而言，至少一个处理器可以获得从属机器人的机器人臂的关节角度θ_act。

作为一个示例，至少一个处理器可以从借助于编码器而测量的值获得从属机器人臂的关节角度θ_act。为了检测关节角度，可以使用增量编码器(incrementalencoder)、绝对编码器(absoluteencoder)、磁编码器(magneticencoder)及电位计(potentiometer)等多样种类的编码器。

在步骤s230中，至少一个处理器可以基于获得的外部扭矩τ_extern及获得的关节角度θ_act，算出用于变更从属机器人的位置以便使外部扭矩τ_extern衰减所需的目标关节角度θ_des。

作为一个示例，至少一个处理器可以如下述数学式4所示设置从属机器人的状态方程式。

(数学式4)

其中，θ_err＝θ_des-θ_act，md代表惯性矩阵，bd代表粘性矩阵，kd代表刚性矩阵。

至少一个处理器为了执行刚性控制(stiffnesscontrol)，可以将以数学式4表现的状态方程式按如下述数学式5所示进行整理。

(数学式5)

τ_extern＝kd(θ_des-θ_act)

可以将所述数学式5按如下述数学式6所示进行整理，至少一个处理器可以从如下数学式6算出目标关节角度θ_des。

(数学式6)

θ_des＝θ_act+(τ_extern)/kd

在步骤s240中，至少一个处理器可以控制使得从属机器人将位置变更为从获得的关节角度θ_act算出的目标关节角度θ_des。

作为一个示例，至少一个处理器可以将从属机器人要追踪的参考关节角度设置为目标关节角度θ_des，将目标关节角度θ_des设置为位置控制器的输入值。例如，目标关节角度θ_des可以输入于图3所示的位置控制器。

另外，至少一个处理器可以输出用于向操作员通知从属机器人与其他物体或人碰撞所需的警报。警报包括视觉警报、听觉警报,及触觉警报中至少一种。

作为一个示例，警报可以显示于主控制台(图1的20)显示构件。操作员可以一面看着显示构件中显示的影像来执刀手术，一面通过显示构件中显示的警报，认知从属机器人与其他物体或人碰撞。

作为另一示例，警报可以以在主控制台(图1的20)的操作杆发生的振动形态向操作员传递。操作员可以利用操作杆，控制从属机器人，通过在操作杆发生的振动，认知从属机器人与其他物体或人碰撞。

作为又一示例，警报可以显示于影像台车的显示部(图1的35)。助手(图1的a)可以通过显示部显示的警报，认知从属机器人与其他物体或人碰撞。

通过警报向操作员或助手通知从属机器人的碰撞情况，从而可以防止操作员不当操作从属机器人。

至少一个处理器可以比较外部扭矩τ_extern与预先设置的基准值。

至少一个处理器可以持续输出警报，直至外部扭矩τ_extern达到基准值以下时为止。操作员可以通过持续鸣响的警报，认知从属机器人依然在与其他物体或人引起碰撞。

当外部扭矩τ_extern为基准值以上时，至少一个处理器可以反复实施步骤s210至步骤s240。另外，至少一个处理器反复实施步骤s210至步骤s240的时间为预先设置的时间以上时，可以控制使得从属机器人不移动。在预先设置的时间以上期间，外部扭矩τ_extern为基准值以上，这意味着从属机器人依然与其他物体或人引起碰撞，因而至少一个处理器强制控制使得从属机器人不活动，可以防止从属机器人或其他物体破损，或给人造成伤害。

图4a至图6b是根据上述一个实施例的缓和从属机器人碰撞的方法显示从属机器人的碰撞缓和实验结果的图。

图4a及图4b显示了对从属机器人的偏航(yaw)轴位置施加外力时的实验结果。图4a显示了测量从属机器人的马达的偏航轴角度的编码器的输出，图4b显示了流入从属机器人的马达的电流。

如果参照图4a及图4b，可知在约0秒～约0.7秒之间施加外力，因而从属机器人的马达的偏航轴角度yaw_act超出目标偏航轴角度yaw_des。另外，可知流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异增加。流入马达的电流i_act代表马达扭矩τ_act，基于重力的电流i_grav代表重力补偿扭矩τ_grav，因而流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异增加，这意味着外部扭矩τ_extern增加。

至少一个处理器可以根据上述步骤s210至s240控制使得从属机器人将位置变更为目标偏航轴角度yaw_des。根据该结果，可知在图4a的约0.7秒之后的区间，马达的偏航轴角度yaw_act与目标偏航轴角度yaw_des类似。另外，可知在图4b的约0.7秒之后的区间，流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异减小到既定范围以内。

然后，图5a及图5b显示了向从属机器人的仰俯(pitch)轴位置施加外力时的实验结果。图5a显示了测量从属机器人的马达的仰俯轴角度的编码器的输出，图5b显示了流入从属机器人的马达的电流。

如果参照图5a及图5b，可知在约1秒～约1.5秒之间施加外力，因而从属机器人的马达的仰俯轴角度pitch_act超出目标仰俯轴角度pitch_des。另外，可知流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异增加。这意味着外部扭矩τ_extern增加。

至少一个处理器根据上述步骤s210至s240，控制使得从属机器人将位置变更为目标仰俯轴角度pitch_des。根据该结果可知，在图5a的约1.5秒之后的区间，马达的仰俯轴角度pitch_act与目标仰俯轴角度pitch_des类似。另外，可知在图5b的约1.5秒之后的区间，流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异减小到既定范围以内。

然后，图6a及图6b显示了对从属机器人的滑动(slide)轴位置施加外力时的实验结果。图6a显示了测量从属机器人的马达的滑动轴角度的编码器的输出，图6b显示了流入从属机器人的马达的电流。

如果参照图6a及图6b，可知在约1.5秒～约2.2秒之间施加外力，因而从属机器人的马达的滑动轴角度slide_act超出目标滑动轴角度slide_des。另外，可知流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异增加。这意味着外部扭矩τ_extern增加。

至少一个处理器根据上述步骤s210至s240，控制使得从属机器人将位置变更为目标滑动轴角度slide_des。根据该结果，可知在图6a的约2.2秒之后的区间，马达的滑动轴角度slide_act与目标滑动轴角度slide_des一致。另外，可知在图6b的约2.2秒之后的区间，流入马达的电流i_act与基于重力的电流i_grav的差异减小到既定范围以内。

另一方面，上述方法可以编写成计算机可运行的程序，可以利用计算机可读记录介质，在使所述程序运行的通用数字计算机中体现。

图7是显示用于运行上述方法的程序的一个示例的图。一个示例的程序可以包括开启模式(modeon)及关闭模式(modeoff)功能，以便使用者可以选择性地运行程序。当使用者将程序设置为开启模式(modeon)时，可以自动执行缓和从属机器人的碰撞的控制。或者，当使用者将程序设置为关闭模式(modeoff)时，可以不执行缓和从属机器人的碰撞的控制功能。此外，一个示例的程序可以包括警报输出方式等用于运行上述方法的设置功能。

另外，上述方法中使用的数据的结构可以通过多种方法记录于计算机可读记录介质。所述计算机可读记录介质包括诸如磁存储介质(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、usb(通用串行总线)、软盘、硬盘等)、光学判读介质(例如，只读光盘、只读数字光盘等)的存储介质。

以上对实施例进行了详细说明，但本发明的权利范围并非限定于此，所属领域的技术人员利用以下权利要求书定义的本发明基本概念的多种变形及改良形态，也属于本发明的权利范围。

工业实用性

根据本发明的一个实施例，缓和手术用从属机器人的碰撞的方法可以应用于多样的工业上可利用的机器人装置。可以应用于多样形态的机器人装置、机器人系统，例如，可以应用于工业用机器人、医疗用机器人、移动机器人等。